С развитием таких ведущих отраслей техники, как электронная, авиационная, приборостроительная, увеличилась потребность в сплавах и высокопрочных сталях, весьма хрупких и жёстких материалах типа германия, ферритов, кварца, рубина, бриллианта. Обрабатывать такие материалы механическими способами (резцом, сверлом, фрезой; см. инструмент и Металлорежущие станки) очень тяжело. Помимо этого, в современных конструкциях автомобилей и устройств показались подробности, имеющие фасонные прорези, время от времени сверхмалых размеров и в труднодоступных местах. Обработать их простыми способами по большому счету нереально.
Во всех этих случаях на помощь классическим механическим способам обработки приходят новые способы: электрофизические (электроэрозионные, ультразвуковые, лучевые) и электрохимические (см. Электрохимические способы обработки).
Электроэрозионная обработка. Все знают, какое разрушительное воздействие может произвести атмосферный электрический разряд — молния. Но не каждому как мы знаем, что сниженные до малых размеров электрические разряды с успехом употребляются в индустрии. Они оказывают помощь создавать из железных заготовок сложнейшие подробности автомобилей и аппаратов.
Температура в месте действия этих электрических разрядов достигает 5000— 10 000°С. Ни один из сплавов и известных металлов не имеет возможности противостоять таким температурам: они мгновенно плавятся и испаряются. Электрические разряды как бы «разъедают» металл. Исходя из этого и сам метод обработки стал называться электроэрозионного (от латинского слова erosio — разъедание).
Любой из появляющихся разрядов удаляет мелкую частичку металла, и инструмент, к примеру мягкая латунная проволочка, понемногу погружается в заготовку, копируя в ней собственную форму. Разряды появляются в первую очередь в том месте, где расстояние между заготовкой и инструментом минимально. Конкретно в этом месте расплавляется и испаряется металл заготовки.
Разряды между инструментом и заготовкой в электроэрозионных станках следуют друг за другом с частотой от 50 до сотен тысяч в 1 с, в зависимости от того, шероховатость поверхности и какую скорость обработки необходимо взять. Чем чаще разряды и чем меньше их мощность, тем меньше шероховатость поверхности, но скорость обработки наряду с этим значительно уменьшается.
Электроэрозионный станок в большинстве случаев имеет устройства для движения инструмента в нужном направлении и источник электрического питания, возбуждающий разряды. Автоматическая совокупность смотрит за размером промежутка между обрабатываемой инструментом и заготовкой.
Инструментом может служить проволочка, стержень, диск. Так, применяя инструмент в виде стержня сложной объемной формы, приобретают как бы оттиск его в обрабатываемой заготовке. Вращающимся диском прожигают узкие щели и режут прочные металлы.
При некоторых видах электроэрозионной обработки инструмент практически не изнашивается. Для сравнения скажем, что в некоторых случаях при механических способах цена инструмента достигает 50% цене обработки.
Ультразвуковая обработка. Еще недавно никто не имел возможности и высказать предположение, что звуком станут не только измерять глубину моря, но и сваривать металл, сверлить стекло и дубить кожи (см. Акустика, звуковая техника).
В случае, если сказать правильнее, не звук, а ультразвук был тем мастером-универсалом, что отыскал такое широкое использование во многих областях людской деятельности: в индустрии, медицине (см. Медицинская техника), в быту. От неестественных источников возможно взять ультразвук интенсивностью в пара сотен Вт/см2.
Тут мы поведаем лишь об ультразвуковых колебаниях, применяемых в станках для обработки хрупких и жёстких материалов.
База станка — преобразователь энергии высокочастотных колебаний электрического тока. Ток поступает на обмотку преобразователя от электронного генератора и преобразовывается в энергию механических (ультразвуковых) колебаний той же частоты. К преобразователю присоединен особый волновод, что, увеличивая амплитуду колебаний, сообщает их инструменту таковой формы, какой желают иметь отверстие. Инструмент прижимают к материалу, в котором нужно взять отверстие, а к месту обработки подводят зерна абразива размером меньше 100 мкм, смешанные с водой. Эти зерна попадают между материалом и инструментом, и инструмент, как отбойный молоток, вбивает их в материал. В случае, если материал хрупкий, то зерна абразива откалывают от него микрочастицы размером 1—5 мкм. Казалось бы, мало! Но частиц абразива под инструментом много, и инструмент причиняет 20 000 ударов в 1 с, исходя из этого процесс обработки проходит достаточно скоро, и отверстие диаметром 20—30 мм в стекле толщиной 10—15 мм возможно сделать за 1 мин.
Светолучевая обработка. Дабы посредством линзы сфокусировать свет в малое пятно и взять наряду с этим громадную удельную мощность, он обязан владеть тремя особенностями: быть монохроматичным, т. е. одноцветным, распространяться параллельно (иметь малую расходимость светового потока) и быть достаточно интенсивным. Ни один из простых источников света не владеет этими тремя особенностями.
В 1960 г. был создан источник света, имеющий все эти свойства, — лазер, либо квантовый генератор оптического излучения. С его помощью приобретают усиленный монохроматический луч. На рисунке продемонстрирован светолучевой станок с лазером из неестественного рубина, взятого из оксида алюминия, в котором маленькое число атомов алюминия замещено атомами хрома.
В качестве внешнего источника энергии используется импульсная лампа, подобная той, что применяют для вспышки при фотографировании, но намного более замечательная. Источником питания лампы помогает конденсатор 2. При излучении лампы ионы хрома, находящиеся в рубине 3, поглощают кванты света с длинами волн, каковые соответствуют зеленой и синей частям видимого спектра, и переходят в возбужденное состояние. Лавинообразный возврат в главное состояние достигается посредством параллельных зеркал 4. Выделившиеся кванты света, соответствующие красной части спектра, многократно отражаются в зеркалах и, проходя через рубин, ускоряют возврат всех возбужденных электронов в главное состояние. Одно из зеркал делается полупрозрачным, и через него луч выводится наружу. Данный луч имеет малый угол расхождения, поскольку складывается из квантов света, многократно отраженных и не испытавших значительного отклонения от оси квантового генератора.
Таковой замечательный монохроматический луч с малой степенью расходимости фокусируется линзой 5 на обрабатываемую поверхность и дает очень мелкое пятно (диаметром до 5—10 мкм). Именно поэтому достигается большая удельная мощность, порядка 108— Ю10 Вт/см2. Данной удельной мощности достаточно, дабы в зоне фокусного пятна в тысячные доли секунды испарить кроме того таковой тугоплавкий металл, как вольфрам, и прожечь в нем отверстие.
Лазер не только создаёт обработку микроотверстий. Уже созданы и удачно трудятся светолучевые установки для резания изделий из металла и стекла, для сварки как полупроводниковых приборов и миниатюрных деталей, так и крупногабаритных подробностей в машиностроении.
Электроннолучевая обработка. Обработка материалов (сварка, резание и т. п.) пучком электронов — совсем новая область техники. Она появилась в 50-х гг. XX в. В современной технике приходится иметь дело с весьма жёсткими либо весьма хрупкими труднообрабатываемыми материалами. В электронной технике, к примеру, используются пластинки из чистого вольфрама, в которых нужно просверлить много микроскопических отверстий диаметром в пара десятков микрометров. Неестественные волокна изготовляют посредством фильер, каковые имеют отверстия сложного профиля, и столь малые, что волокна, протягиваемые через них, получаются существенно уже людской волоса (см. Волокна натуральные и химические). Электронной индустрии необходимы керамические пластинки толщиной 0,25 мм и менее с прорезями и многочисленными углублениями.
Оказалось, что электронный луч, так же как и лазерный, владеет заманчивыми для разработки особенностями. Попадая на обрабатываемый материал, он в месте действия нагревает его до 6000°С (температура поверхности Солнца) и практически мгновенно испаряет, образовав в материале отверстие либо углубление. Современная техника разрешает регулировать плотность излучения электронов, а следовательно, и температуру нагрева металла. Очень полезно кроме этого, что воздействие электронного луча не сопровождается ударными нагрузками на изделие. Особенно это принципиально важно при обработке хрупких материалов, таких, как стекло, кварц.
Установки для обработки электронным лучом — это сложные устройства, основанные на достижениях современной электроники, автоматики и электротехники. Главная их часть — электронная «пушка», генерирующая пучок электронов. Электроны, вылетающие с подогретого катода, остро фокусируются и ускоряются особыми электростатическими и магнитными устройствами. Благодаря им электронный луч возможно сфокусирован на площадке диаметром менее 1 мкм. Обработка ведется в высоком вакууме. Это нужно, дабы создать для электронов условия свободного, без помех, пробега от катода до заготовки.
Обрабатываемое изделие устанавливается на столе, что может двигаться по вертикали и горизонтали. Луч благодаря особому отклоняющему устройству кроме этого может перемещаться на маленькие расстояния (3— 5 мм). В то время, когда отклоняющее устройство отключено и стол неподвижен, электронный луч может просверлить в изделии отверстие диаметром 5—10 мкм. В случае, если включить отклоняющее устройство (покинув стол неподвижным), то луч, перемещаясь, будет функционировать как фреза и сможет прожигать маленькие пазы разной конфигурации. В то время, когда же необходимо «отфрезеровать» более долгие пазы, то перемещают стол, оставляя луч неподвижным.